[发明专利]水流‑振动体‑发电机动力耦合实验模拟装置

说明书

技术领域

本发明属于水力发电技术领域，涉及一种水流-振动体-发电机动力耦合实验模拟装置。

背景技术

本世纪以来，煤炭、石油等传统能源价格不断上涨，国际社会对气候变化、环境保护等问题日益关注，寻找可替代能源的需求迫在眉睫，世界各国都很重视可再生清洁能源的开发和利用。地球表面70％以上被水体覆盖着，水体的缓慢流动蕴藏着巨大的能量。国内外存在的多种水流动力能源技术，由于自身因素的限制，都无法有效地从低流速水流中获取能量。传统水力发电的方法是使用水轮机，但需要至少约2m/s的流速才能发挥较好的效益。涡激振动水流发电装置可使用较低流速提取高密度能量，能够广泛应用于河流、海洋、潮汐和其他水流上。涡激振动是一种自激非线性共振现象，当水流流经非流线型结构表面时会发生旋涡脱落，当旋涡脱落频率与结构自振频率较为接近时，旋涡脱落频率在一个较大的流速范围内被锁定在结构的自振频率附近，并使结构发生大振幅振动。涡激振动是旋涡脱落引起的结果，交互式涡旋脱落产生不对称的振荡升力，使结构在垂直于自身轴向的方向上振动。经过研究发现，涡激振动水流发电装置的能量转换功率取决于流速、振动体的振幅和频率及升力。

自20世纪以来，由于航空航天工程、海洋工程及土木工程等领域的需求，国内外很多学者对涡激振动中的流体-结构相互作用问题进行了大量研究。涡激振动水生清洁能源最早由美国密西根大学的Michael Bernitsas在2006年第25届离岸及极地工程国际会议“25th International Conference on Offshore and Arctic Engineering”上通过论文“VIVACE(Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy):A NEW CONCEPT IN GENERATION OF CLEAN AND RENEWABLE ENERGY FROM FLUID FLOW[VIVACE(涡激振动水生清洁能源)：一种从流体中产生可再生清洁能源的新技术]”提出。由于建造于河流或海洋中的涡激振动水流发电装置的能量转换效率及可靠性是“水流-振动体-发电机”三者之间的动力耦合作用问题，其中涉及到流体力学、结构力学、电学等多种学科，目前尚未有关于“水流-振动体-发电机”三者之间的动力耦合作用实验模拟方法的报道，仅依靠现有的实验方法无法再现装置的实际工作状况，也就无法为装置的设计和运营提供准确的实验参考数据。

发明内容

本发明的目的是提供一种水流-振动体-发电机动力耦合实验模拟装置，能够准确地反映“水流-振动体-发电机”三者之间的动力耦合作用情况，解决了涡激振动水流发电装置中振动体振动响应、所受流体力(包括升力和拖曳力)、振动体周围流场及发电机输出电压量的同步测试，能够获取流速、振动体的振幅和频率、升力、拖曳力、振动体周围流场、发电机输出电压及装置转换效率等信息。

本发明所采用的技术方案是，水流-振动体-发电机动力耦合实验模拟装置，包括设置在水槽内的柱体，柱体的两端设置凹槽，两个多分量测力天平嵌入凹槽并固定于柱体的两端，多分量测力天平与端板固接，两个端板通过角钢紧固连接，端板的上端设置水平板、直线轴承；水平板下部设置压缩弹簧，压缩弹簧下端通过夹具与水平支撑结构连接，水平支撑结构固定在水槽壁的外沿；直线轴承套接于直线导轨，直线导轨固定于支撑框架；支撑框架与水平支撑结构焊接，拉绳位移传感器设置在支撑框架的上部，拉绳位移传感器的拉绳与水平板连接；两个端板中的其中一块端板安装齿条，齿条与齿轮啮合，齿轮与发电机的转轴紧固连接，发电机固定于支撑框架；还包括数据采集与处理系统和计算机，多分量测力天平、拉绳位移传感器、PIV粒子图像测速仪、声学多普勒流速仪、发电机分别与数据采集与处理系统的输入端连接，PIV粒子图像测速仪和声学多普勒流速仪对水流流速和柱体周围流场进行测量。

进一步的，多分量测力天平通过螺栓与端板固接。

进一步的，水平支撑结构通过固定夹固定在水槽壁的外沿。

进一步的，水槽由水槽底部、水槽壁构成，水槽壁上设置有外沿，水槽壁由水槽壁框架和玻璃构成，水槽下方设置有水循环系统、造流装置。

本发明的有益效果是：因本实验模拟方法可同时获取水流、振动体、发电机三者的动态数据，依据这些数据可对涡激振动水流发电装置中“水流-振动体-发电机”三者之间的动力耦合作用进行分析，能真实再现装置工作性能，为涡激振动水流发电装置的设计和运营提供了技术保障。

附图说明

图1是置于水槽上的本发明结构示意图。